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細(xì)菌里存在一些重復(fù)編排的DNA序列，名叫CRISPR；

還有一種與CRISPR相關(guān)的蛋白名叫Cas，可以切割病毒DNA；

卡彭蒂耶和杜德納利用CRISPR/Cas的特性，開發(fā)了一種可以精準(zhǔn)切割DNA的工具；

這種工具應(yīng)用范圍極廣，掀起了分子生物學(xué)革命，也同樣引發(fā)人們對(duì)倫理問題的思考。

埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和詹妮弗·杜德納（Jennifer A. Doudna）獲得了2020年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是她們發(fā)現(xiàn)了最先進(jìn)的基因技術(shù)工具之一：CRISPR/Cas9基因剪刀。研究者運(yùn)用這種工具，可以極其精準(zhǔn)地改變動(dòng)物、植物和微生物的DNA。這項(xiàng)技術(shù)掀起了分子生物學(xué)的革命，為植物育種帶來(lái)了新的機(jī)遇，為新的癌癥治療手段注入能量，也讓治愈遺傳性疾病不再只是個(gè)夢(mèng)想。

科學(xué)最有魅力的一點(diǎn)，在于它是不可預(yù)測(cè)的——你永遠(yuǎn)不會(huì)知道，一個(gè)看似平常的點(diǎn)子或提問，將會(huì)為我們帶來(lái)什么。有時(shí)候好奇心會(huì)走進(jìn)一個(gè)死胡同，有時(shí)候會(huì)走進(jìn)一個(gè)惱人的迷宮，得花費(fèi)好幾年才能走出來(lái)。但是，一次又一次地，她意識(shí)到自己是第一個(gè)凝視著無(wú)限可能性的人。

名為CRISPR/Cas9的基因編輯工具就是這樣一種蘊(yùn)含驚人潛能的意外發(fā)現(xiàn)。當(dāng)埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德納開始研究一種鏈球菌的免疫系統(tǒng)時(shí)，她們偶然覺得，自己或許可以開發(fā)一種新的抗生素。事情的走向不如她們所愿，她們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)了一種分子工具，可以精準(zhǔn)切割遺傳物質(zhì)，從而使人們有可能輕易改寫生命的密碼。

運(yùn)用基因剪刀，研究者可以編輯幾乎所有生物的基因組丨諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站

影響每個(gè)人的利器

僅僅在她們做出這個(gè)發(fā)現(xiàn)8年后，這些基因剪刀已經(jīng)重塑了生命科學(xué)的模樣。生物化學(xué)家和細(xì)胞生物學(xué)家們現(xiàn)在可以輕松地研究不同基因的功能，以及這些基因在疾病進(jìn)程中所可能扮演的角色。在植物育種方面，研究者們可以賦予植物新的特征，比如在溫暖氣候中的耐旱能力。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種基因編輯工具正在為新的癌癥治療方法貢獻(xiàn)力量，也在嘗試治愈遺傳病的首批研究中發(fā)揮作用。

關(guān)于CRISPR/Cas9基因剪刀的用處，我們還可以舉出千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)例，當(dāng)然，也包括不符合倫理的運(yùn)用。利劍在手，我們更應(yīng)該規(guī)范技術(shù)的使用。這一點(diǎn)會(huì)在下面再詳說(shuō)。

2011年，不管是埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶，還是詹妮弗·杜德納，都沒想到她們?cè)诓ǘ嗬韪饕患铱Х瑞^的首次見面，會(huì)成為命運(yùn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。我們首先來(lái)介紹一下埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶，是她首先提出了合作。

被病原細(xì)菌吸引的卡彭蒂耶

有些人將埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶描述為充滿動(dòng)力、細(xì)心并縝密的人，還有人說(shuō)她堅(jiān)持不懈地探索未知。她自己則引用了路易斯·巴斯德的名言：“機(jī)會(huì)只留給有準(zhǔn)備的人?！睂?duì)探索新知、自由獨(dú)立的急切渴望，引導(dǎo)著她走在今天的道路上。她在巴黎的巴斯德研究所度過(guò)了博士生涯。算上這段經(jīng)歷，她在5個(gè)國(guó)家、7座城市的10家不同機(jī)構(gòu)工作過(guò)。

盡管經(jīng)歷了許多不同的工作環(huán)境和研究方式，她的所有研究都有相同的核心：病原細(xì)菌。為什么它們具有強(qiáng)烈的攻擊性？它們?nèi)绾伟l(fā)展對(duì)抗生素的耐藥性？以及，人類能否找到新的治療方法，阻止它們肆虐？

2002年，卡彭蒂耶在維也納大學(xué)創(chuàng)建了自己的研究團(tuán)隊(duì)。她將研究聚焦于化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）。這種細(xì)菌是對(duì)人類造成最嚴(yán)重傷害的病原菌之一，每年感染超過(guò)數(shù)百萬(wàn)人。這種感染一般只會(huì)造成可治療的扁桃體炎和膿皰瘡，但有時(shí)會(huì)引起致命的敗血癥并使軟組織分解，這讓它們獲得了“血肉吞噬者”的惡名。

為了更好地理解化膿性鏈球菌，卡彭蒂耶決定全面研究這種細(xì)菌的基因調(diào)控方式。這一決定讓她在發(fā)現(xiàn)基因剪刀的道路上邁出了第一步。但是在繼續(xù)講述這條道路之前，我們需要講講詹妮弗·杜德納的故事。因?yàn)?，在卡彭蒂耶仔?xì)地研究化膿性鏈球菌的同時(shí)，杜德納聽到了一個(gè)縮寫。那是她第一次聽說(shuō)這個(gè)單詞，發(fā)音聽起來(lái)像是crisper。

科學(xué)——如偵探故事一樣曲折

在度假勝地夏威夷長(zhǎng)大的詹妮弗·杜德納，有著強(qiáng)烈的求知欲。一天，她的父親將詹姆斯·沃森寫的《雙螺旋》放在了她床上。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克解明DNA分子結(jié)構(gòu)的故事仿佛一部偵探小說(shuō)，與杜德納在學(xué)校課本中讀到的科學(xué)知識(shí)迥異。她被科學(xué)研究的過(guò)程深深吸引了，并意識(shí)到科學(xué)不只是簡(jiǎn)單地列舉事實(shí)。

不過(guò)，開始親自解決科學(xué)之謎時(shí)，她并未將注意力放在DNA上，而去關(guān)注了DNA的“分子同胞”——RNA。2006年，她在加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)專注于RNA研究二十年了。那時(shí)她已經(jīng)被認(rèn)為是一個(gè)成功的研究者，并且是許多開創(chuàng)性項(xiàng)目的帶頭人。同時(shí)她剛剛開始進(jìn)入一個(gè)激動(dòng)人心的新興領(lǐng)域——RNA干擾。

很長(zhǎng)一段時(shí)間中，研究者們認(rèn)為RNA的基礎(chǔ)功能已經(jīng)得到了充分的認(rèn)知，但是人們突然發(fā)現(xiàn)，許多小RNA分子在細(xì)胞中參與調(diào)控基因活性。2006年，詹妮弗·杜德納在RNA干擾領(lǐng)域的投入為她帶來(lái)了來(lái)自另一個(gè)部門同事的電話。

細(xì)菌攜帶著古老的免疫系統(tǒng)

這名同事是一位微生物學(xué)家，她告訴了杜德納一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)：當(dāng)研究人員將差異較大的細(xì)菌以及古生菌（一種微生物）的遺傳物質(zhì)相互比較時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)重復(fù)的DNA序列保存得非常完好。相同的編碼一遍又一遍地出現(xiàn)，但是在重復(fù)的編碼區(qū)之間，細(xì)菌卻有著各自不同的獨(dú)特序列。就好像在一本書中，每一個(gè)獨(dú)特的句子之間都重復(fù)著同一個(gè)單詞。

點(diǎn)擊可看大圖丨原圖：諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站；翻譯：Ryan

這些重復(fù)編排的DNA序列被稱為“規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)”（clustered regularly interspaced short palindromic repeats），縮寫為CRISPR。有趣的是，CRISPR中獨(dú)特的、非重復(fù)的序列，似乎與多種病毒的遺傳密碼相匹配。因此目前的想法是：這是一種古老的免疫系統(tǒng)中的一部分，可以保護(hù)細(xì)菌和古生菌免受病毒的侵害。假說(shuō)認(rèn)為，如果一種細(xì)菌成功地在病毒感染之后存活下來(lái)，那么它會(huì)在自身基因組中加入一段病毒的遺傳密碼，作為曾感染過(guò)病毒的記錄。

杜德納的同事介紹，目前還無(wú)從得知這一切是如何運(yùn)作的，但是細(xì)菌對(duì)抗病毒的機(jī)制與杜德納研究的RNA干擾，這兩者的相似性卻值得考慮。

杜德納描繪了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)

這一消息引人注目又令人激動(dòng)。如果細(xì)菌確實(shí)擁有古老的免疫系統(tǒng)，那么這將是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)。這也激發(fā)了詹妮弗·杜德納強(qiáng)烈的研究興趣，于是她開始盡可能地學(xué)習(xí)有關(guān)CRISPR系統(tǒng)的一切知識(shí)。

研究發(fā)現(xiàn)，除了CRISPR序列外，還存在一種與CRISPR相關(guān)（CRISPR-associated）的特殊基因，簡(jiǎn)稱為Cas。有趣的是，這些基因與編碼一些已知蛋白質(zhì)的基因非常相似，而這些蛋白質(zhì)專門負(fù)責(zé)解旋和切割DNA序列。那么Cas蛋白質(zhì)是否有相同的功能？它們能切割病毒的DNA嗎？

于是杜德納與她的研究團(tuán)隊(duì)開始工作，幾年后，他們成功揭示了幾種不同Cas蛋白質(zhì)的功能。與此同時(shí)，其他大學(xué)的一些研究團(tuán)隊(duì)也在研究新發(fā)現(xiàn)的CRISPR/Cas系統(tǒng)。他們的工作顯示，細(xì)菌的免疫系統(tǒng)有著差異較大的各種形式。杜德納研究的CRISPR/Cas系統(tǒng)屬于1型，這是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要許多不同種類的Cas蛋白來(lái)分解病毒。而2型系統(tǒng)則非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗枰牡鞍踪|(zhì)很少。事實(shí)上，在世界的另一個(gè)地方，埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶就剛好發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)系統(tǒng)。

讓我們重新開始講述她的故事。

CRISPR系統(tǒng)之謎中嶄新而未知的部分

之前暫?？ㄅ淼僖墓适聲r(shí)，她正住在維也納。但在2009年，她得到了一個(gè)在瑞典北部于默奧大學(xué)研究的好機(jī)會(huì)。這個(gè)地方對(duì)她來(lái)說(shuō)無(wú)疑是遙遠(yuǎn)的，但那里漫長(zhǎng)、黑暗的冬天可以給她足夠的寧?kù)o來(lái)工作。

她也正需要這樣的環(huán)境。同時(shí)，她也對(duì)能夠調(diào)控基因的小RNA分子非常感興趣。在柏林時(shí)，她就已經(jīng)同其他研究者們一起為化膿性鏈球菌中的RNA測(cè)序。結(jié)果讓她思慮良多，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)，在這種細(xì)菌中大量存在的一種小RNA分子屬于一類未知的變種，而這種RNA分子的基因序列，同化膿性鏈球菌基因組中特有的CRISPR序列十分接近。

這一相似性使得卡彭蒂耶懷疑這種小RNA分子與化膿性鏈球菌的CRISPR序列是相關(guān)聯(lián)的。對(duì)它們基因序列的細(xì)致分析也揭示，這種未知小RNA分子的一部分與CRISPR中的重復(fù)序列相匹配。這就像找到了完美拼在一起的兩塊拼圖。

卡彭蒂耶此前從沒研究過(guò)CRISPR，但她的研究團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了深入的微生物研究工作，來(lái)繪制化膿性鏈球菌的CRISPR系統(tǒng)圖譜。該系統(tǒng)屬于2型，已知只需要一個(gè)Cas蛋白——Cas9，就可以裂解病毒DNA?？ㄅ淼僖l(fā)現(xiàn)，這種被稱為“反式激活crispr RNA”（trans-activating crispr RNA, tracrRNA）的未知RNA分子也具有決定性的作用：細(xì)菌基因組中CRISPR序列生產(chǎn)出來(lái)的長(zhǎng)鏈RNA，必須要有這種小RNA才能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问健?/p>

經(jīng)過(guò)密集而有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)，埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶于2011年3月發(fā)表了對(duì)tracrRNA的新發(fā)現(xiàn)。她知道接下來(lái)將會(huì)發(fā)生一些激動(dòng)人心的事情。她在微生物學(xué)方面有多年的研究經(jīng)驗(yàn)，而在接下來(lái)對(duì)CRISPR-Cas9系統(tǒng)的研究中，她希望與一位生物化學(xué)家合作。自然而然地，她選擇了詹妮弗·杜德納。于是那個(gè)春天，當(dāng)卡彭蒂耶被邀請(qǐng)前往波多黎各參加一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議、講述她的發(fā)現(xiàn)時(shí)，她的目標(biāo)就是同這位經(jīng)驗(yàn)豐富、技藝高超的伯克利研究員——杜德納見面。

波多黎各咖啡館里，改變?nèi)松木蹠?huì)

在會(huì)議的第2天，她們恰巧在一家咖啡館碰了面。杜德納的一名同事介紹她們認(rèn)識(shí)了對(duì)方。會(huì)議的第3天，卡彭蒂耶提議一起探索首府的老城區(qū)。沿著鵝卵石鋪就的街道漫步時(shí)，兩人開始談?wù)撍齻兊难芯?。卡彭蒂耶詢問杜德納有沒有興趣合作——她是否愿意參與研究更加簡(jiǎn)單的化膿性鏈球菌2型系統(tǒng)中 Cas9的功能？

詹妮弗·杜德納很感興趣，她倆和同事們通過(guò)數(shù)字會(huì)議為這個(gè)項(xiàng)目制定計(jì)劃。她們猜測(cè)， CRISPR-RNA 是識(shí)別病毒 DNA 所必需的，而 Cas9則是切斷 DNA 分子的剪刀。然而，當(dāng)她們?cè)隗w外實(shí)驗(yàn)中測(cè)試時(shí)，切割沒有發(fā)生，DNA 分子保持完整。為什么？是實(shí)驗(yàn)條件有什么問題嗎？或者是 Cas9其實(shí)有著完全不同的功能？

經(jīng)過(guò)大量的頭腦風(fēng)暴和無(wú)數(shù)次失敗的實(shí)驗(yàn)，她們最終在實(shí)驗(yàn)中加入了 tracrRNA。在此之前，她們?cè)J(rèn)為只有當(dāng) CRISPR-RNA 被切割成活性形式時(shí)，tracrRNA 才是必需的。但是一旦 Cas9遇上了 tracrRNA，每個(gè)人都在等待的事終于發(fā)生了——DNA 分子被切割成了兩部分。

研究者常常驚嘆于演化提供的解決方案，但這個(gè)東西依然是非同尋常的。鏈球菌已經(jīng)演化出的這種對(duì)抗病毒的武器簡(jiǎn)單而有效，甚至可說(shuō)是非常出色?；蚣舻兜臍v史本可能就停在此處——有一種能給人類帶來(lái)巨大痛苦的細(xì)菌，卡彭蒂耶和杜德納發(fā)現(xiàn)了這種細(xì)菌體內(nèi)的一個(gè)基本運(yùn)行機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)本身就足夠令人震驚，但準(zhǔn)備充分的大腦還能抓住更稍縱即逝的機(jī)會(huì)。

一個(gè)劃時(shí)代的實(shí)驗(yàn)

她們決定嘗試去簡(jiǎn)化基因剪刀。利用關(guān)于 tracrRNA 和 crispr-RNA 的新知識(shí)，她們找到了將兩者融合成一個(gè)分子的方法，并命名為引導(dǎo) RNA。利用這種簡(jiǎn)化的基因剪刀，她們做了一個(gè)劃時(shí)代的實(shí)驗(yàn)——研究是否可以控制這種基因工具，使其在研究者想要的位置上切割 DNA。

到了這個(gè)時(shí)候，她們知道自己即將取得重大突破。她們從杜德納實(shí)驗(yàn)室的冰箱里拿了一個(gè)現(xiàn)成的基因，然后選擇5個(gè)不同的位點(diǎn)去切割這個(gè)基因。然后，她們修改了剪刀的 CRISPR 部分，使其序列與將要裁剪的部分相匹配。結(jié)果是壓倒性的大勝。DNA 分子在正確的位置，被精確地切割了。

點(diǎn)擊可看大圖丨原圖：諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站；翻譯：栗子

基因剪刀改變了生命科學(xué)

在2012年卡彭蒂耶和杜德納發(fā)表了CRISPR/Cas9基因剪刀之后不久，便有許多研究團(tuán)隊(duì)證明，這種工具的確能夠用來(lái)修改小鼠和人類細(xì)胞的基因組。在此之前，改變細(xì)胞或生物體里的基因是非常耗時(shí)的，有時(shí)甚至是不可能的。而研究人員用上基因剪刀之后，理論上想切哪段基因就可以切哪段基因。然后，再用細(xì)胞自身的系統(tǒng)來(lái)做DNA修復(fù)，改寫生命代碼就很容易了。

由于這種基因工具非常易于使用，如今它在基礎(chǔ)科學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用已經(jīng)很普遍了。用它來(lái)改變細(xì)胞的DNA和實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物的DNA，科學(xué)家們就能更好地理解不同的基因是如何工作、如何相互影響的，比如在研究一種疾病進(jìn)程時(shí)便可以用到。

除此之外，基因剪刀還成為了植物育種的標(biāo)配工具。從前，研究人員修改植物基因組的時(shí)候，通常需要添加抗生素抗性基因。隨著植物生根發(fā)芽，抗生素抗性基因可能會(huì)擴(kuò)散到周圍的生物當(dāng)中。而有了基因剪刀，研究人員就不需要再用那些添加抗性基因的老方法，因?yàn)榛蚣舻犊梢詫?duì)基因組做出非常精確的修改。比如，科學(xué)家們編輯了讓水稻從土壤吸收重金屬的基因，改良過(guò)的水稻品種含鎘和砷的量就會(huì)更低。另外，研究人員還培育出了在溫暖氣候下更加抗旱的作物，以及能夠抵抗蟲害的作物，來(lái)減少殺蟲劑的使用。

治愈遺傳病的希望

在醫(yī)學(xué)上，基因剪刀為新的癌癥免疫療法做出了貢獻(xiàn)，治愈遺傳疾病的夢(mèng)想也已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)的路上。有研究人員正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，看能不能用CRISPR/Cas9來(lái)治療像鐮刀型細(xì)胞貧血癥和乙型地中海貧血癥這樣的血液病，以及一些遺傳性眼部疾病。

另外，科學(xué)家們也在研究為大型器官（如腦和肌肉）修復(fù)基因的方法。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的病毒可以把基因剪刀輸送到指定的細(xì)胞，治療動(dòng)物模型身上毀滅性的遺傳疾病，比如肌肉營(yíng)養(yǎng)不良癥、脊髓肌肉萎縮癥，以及亨廷頓舞蹈癥。不過(guò)，在人類身上測(cè)試之前，技術(shù)還需要進(jìn)一步完善。

基因剪刀的力量需要監(jiān)管

除了種種好處，“基因剪刀”也可能被亂用。

例如，這個(gè)工具能夠被用來(lái)創(chuàng)造基因編輯胚胎。不過(guò)，多年來(lái)一直有法律法規(guī)控制著基因工程的應(yīng)用，其中包括禁止以可遺傳的形式修改人類基因組。另外，一些涉及人和動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)在開始前，必須每次都先通過(guò)倫理委員會(huì)的審查和批準(zhǔn)。

可以肯定的一點(diǎn)是：這些基因剪刀會(huì)影響我們每一個(gè)人。雖然我們將會(huì)面對(duì)全新的倫理問題，但這個(gè)新工具也可能幫忙我們解決人類目前所面臨的許多挑戰(zhàn)。通過(guò)她們的研究發(fā)現(xiàn)，埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶和詹妮弗·杜德納開發(fā)出了一個(gè)將生命科學(xué)帶入新時(shí)代的化學(xué)工具。她們讓我們看到了想象不到的無(wú)限潛力，而在探索這片新領(lǐng)域的過(guò)程中，我們一定會(huì)做出新的、意想不到的發(fā)現(xiàn)。

最后，讓我們?cè)賮?lái)認(rèn)識(shí)一下兩位獲獎(jiǎng)?wù)撸?/p>

左：埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）。1968年生于法國(guó)奧爾日河畔瑞維西。于1995年在法國(guó)巴斯德研究所獲得博士學(xué)位。德國(guó)馬克斯·普朗克病原體科學(xué)研究所主任。

右：詹妮弗·杜德納（Jennifer A. Doudna）。1964年生于美國(guó)華盛頓特區(qū)。于1989年在美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院獲得博士學(xué)位。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。

翻譯來(lái)源：

https://www.nobelprize.org/uploads/2020/10/popular-chemistryprize2020.pdf

翻譯：李小葵，核桃苗，Ryan，Diana，游識(shí)猷，栗子，Cloud

原標(biāo)題：《咖啡館的命運(yùn)邂逅：兩位女性一起剪切生命密碼，又一起獲得諾獎(jiǎng)丨直擊諾獎(jiǎng)》

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